Ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) ist ein dreipoliges Leistungshalbleiterbauelement, das primär als elektronischer Schalter dient und hohe Effizienz mit schnellen Schaltzeiten verbindet. Er schaltet elektrische Leistung in zahlreichen modernen Anwendungen: Frequenzumrichtern (VFDs), Elektrofahrzeugen, Zügen, drehzahlgeregelten Kühlschränken, Windkraftanlagen, Lampenvorschaltgeräten, Klimaanlagen, Reiskochern und sogar in Stereosystemen mit Schaltverstärkern.

Diese Bauelemente sind äußerst komplex, teuer und stellen enorme Anforderungen an ihre Komponenten. Die Mehrzahl der Ausfälle von IGBT-Einheiten im Feldeinsatz ist auf übermäßige Innentemperaturen und/oder thermischen Stress zurückzuführen. Es ist hinreichend bewiesen und anerkannt, dass Lufteinschlüsse (Voids) an kritischen Grenzflächen der Hauptfaktor für diese Ausfälle sind. 

Wir betrachten die X-Ray-Technologie als zerstörungsfreie Prüfmethode während und unmittelbar nach der Produktion. Ziel ist es, den Prozess durch die Reduzierung von Lufteinschlüssen zu verbessern, was die langfristige Zuverlässigkeit dieser oft kostenintensiven Ersatzteile erhöht. Dies betrifft nicht nur die reinen Stückkosten, sondern auch den Einbauort sowie den Aufwand, bis die Einheit ersetzt werden kann. Da sich diese Einheiten oft an schwer zugänglichen oder kritischen Orten befinden, verursachen Ausfälle enorme Kosten und Gewährleistungsfälle. 

Haushaltsgeräte erfordern zunehmend inverterbasierte Motorantriebe, die eine bessere Leistung, mehr Komfort und höhere Effizienz bieten – alles unverzichtbare Kriterien für High-End-Produkte. Verbraucher nutzen zudem immer fortgeschrittenere Haushaltslösungen, wie etwa Induktionskochfelder für Reiskocher. Diese neuen Anwendungen tragen zum Wachstum von IGBTs im Consumer-Bereich bei, erhöhen jedoch den Preisdruck im Fertigungszyklus. Die Minimierung von Lufteinschlüssen ist entscheidend für den anhaltenden Erfolg dieser Technologie. 

Der schichtweise Aufbau des IGBT-Moduls soll einen effizienten Pfad mit geringem thermischen Widerstand von der Schaltung auf der Chipoberseite bis zur Unterseite des Kühlkörpers schaffen, wo die Abwärme abgeführt wird. In diesem typischen Design wandert die Wärme, einschließlich des Chips, durch fünf Materialschichten. Die Keramiksubstrate und der Kühlkörper werden ebenso wie die thermischen Schnittstellenmaterialien (TIMs) unter anderem wegen ihres geringen Widerstands gegen die Ausbreitung thermischer Energie ausgewählt.

Wie die obige Abbildung zeigt, befinden sich in diesen Baugruppen viele unterschiedliche Materialien und beanspruchte Übergänge. Wenn man nun noch Lufteinschlüsse hinzufügt, ist dies das Rezept für zahlreiche Ausfälle. Die Meisten dieser Ausfälle treten im Feldeinsatz auf. 

Kaum thermische Energie überwindet einen Spalt (Lufteinschluss). Stattdessen wird sie zum Chip zurückgeleitet. In spaltfreien Bereichen setzen sich Wärmeleitung und -strahlung über die Materialgrenzflächen fort, bis die Wärme an der Unterseite des Kühlkörpers vom Modul abgeführt wird. Je größer die gemeinsame x-y-Fläche der Spalte ist, desto mehr thermische Energie wird zurück zum Chip gelenkt und desto höher ist das Risiko eines IGBT-Ausfalls. Das folgende Bild veranschaulicht dies sehr deutlich: 

Einige Unternehmen griffen zur Vorhersage von Ausfällen auf Simulationen zurück, jedoch lassen sich Lufteinschlüsse in diesen Gleichungen nicht einfach berücksichtigen, da sie keine Konstante darstellen, weshalb diese Methode unbefriedigend ist. Herkömmliche X-Ray-Verfahren tun sich schwer damit, diese Lufteinschlüsse gut darzustellen, was an der Anzahl der thermischen Grenzflächen und den sehr dicken Kupferkühlkörpern von IGBT-Baugruppen liegt, wie im Bild unten zu sehen ist.

Darüber hinaus lässt sich ein 3D-Modell des Bauteils oder eines Teils davon einfach und schnell rekonstruieren und in Schichten zerlegen, um Schlüsselbereiche zu untersuchen.

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"Failure Mechanisms in IGBTs Related to Voiding"